von Claudia Vorbeck, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB haben ein biobasiertes und funktionalisiertes Flockungsmittel zur effizienten Behandlung komplexer Abwässer entwickelt. Darüber hinaus werden giftige Phenole durch das Enzym Laccase in einer Chitosan-Matrix aus dem Wasser entfernt. Das funktionalisierte und abbaubare Flockungsmittel LaChiPur wird erstmals auf der vorgestellt IFAT in München vom 13. bis 17. Mai 2024.
Durch Flockung werden bei der Abwasserreinigung und Wasseraufbereitung feinste feste Verunreinigungen entfernt. Durch Flockungsmittel verklumpen Schwebstoffe zu größeren Flocken, die zu Boden sinken oder gefiltert werden können – das Wasser wird wieder klar.
Anorganische Metallsalze wie Eisen- oder Aluminiumsulfate und -chloride werden häufig zur Entfernung von Huminstoffen in der Trinkwasseraufbereitung, zur Aufbereitung von Prozesswasser bei der Papierherstellung oder zur Phosphorfällung in kommunalen Kläranlagen eingesetzt. Teilweise sind zusätzlich Polymerflockungsmittel, synthetische Polymere aus fossilen Rohstoffen, enthalten.
Der offensichtliche Nachteil herkömmlicher Methoden: Aufgrund der zugesetzten Chemikalien oder Polymere kann der entstehende Schlamm nicht wiederverwendet werden und muss aufwändig entsorgt werden.
Deshalb setzten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB auf natürliches und vollständig biologisch abbaubares Chitosan. Dieses wird aus nachwachsendem Chitin gewonnen, das als Strukturbestandteil in den Schalen von Krebstieren, den Schalen und Häuten von Insekten sowie in Pilzen enthalten ist. Damit ist Chitin nach pflanzlicher Zellulose eines der am häufigsten vorkommenden natürlichen Polymere auf der Erde.
Neue Technologie mit natürlichen biobasierten Rohstoffen
Für die Reinigung von Schwimmbädern und Teichen sind bereits Wasseraufbereitungschemikalien auf Chitosan-Basis erhältlich. Allerdings gehen die Fraunhofer-Forscher noch einen Schritt weiter und funktionalisieren Chitosan zusätzlich mit dem Enzym Laccase. Das Enzym kommt in verschiedenen Pflanzen, Pilzen und Bakterien vor.
In der Natur sind Laccasen sowohl an der Verknüpfung aromatischer Monomere zu Lignin als auch an dessen Abbau beteiligt. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Phenole und andere phenolische Substanzen zu oxidieren, sind sie für verschiedene industrielle Anwendungen sehr gefragt, sei es bei der Entfernung giftiger Phenole in Fruchtsäften, der Entfärbung von Textilabwässern oder der Entfernung von Schadstoffen in Wasser und Böden.
„Unsere Idee war, dass sich Laccase – gebunden an Chitosan als Matrix – auch für komplexe Abwässer eignen könnte, wie sie bei der Herstellung von Wein oder Olivenöl anfallen“, sagt Dr. Thomas Hahn, der am Fraunhofer IGB an der Reinigung von Abwässern forscht Chitin aus einer Vielzahl von Abfallströmen und dessen anschließende Umwandlung in Chitosan.
Nach der Weinlese stoßen kommunale Kläranlagen schnell an ihre Grenzen, wenn in ländlichen Weinanbaugebieten das Drei- bis Vierfache der normalen Abwassermenge in die überwiegend kleinen Kläranlagen gelangt.
„Die Phenole im Abwasser wirken toxisch auf die Bakterien im Belebungsbecken. Daher muss die Belüftung erhöht werden, was den Energiebedarf der Kläranlage deutlich erhöht“, sagt Marc Beckett, Experte für Wasserwirtschaft und Wasseraufbereitung am IGB.
In Olivenölmühlen werden die Abwässer aus der Wäsche und der Ölgewinnung oft in großen Sammelbecken gelagert, wo das Wasser mit der Zeit verdunstet und einen für Flora und Fauna giftigen Schlamm zurücklässt.
Aus der Idee wurde ein zweijähriges Fraunhofer-Forschungsprojekt. Das IGB-Team kooperierte mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam, das an der Funktionalisierung von Chitosan mit Laccase arbeitete.
Um die Wirkung von mit Laccase funktionalisiertem Chitosan an realen Abwässern testen zu können, haben Forscher am IGB zunächst die entsprechende Methodik und Analytik etabliert. „Eine der Herausforderungen bestand darin, das polymere Chitosan in Lösung zu bringen, es als Flockungsmittel zu dosieren und seine Wirkung zur Bindung von Polyphenolen und Tanninen zu entfalten“, erinnert sich Hahn.
„Da ein leicht saures Milieu ideal für Laccase ist, erzielten wir sofort sehr vielversprechende Ergebnisse für die typischen Abwässer aus der Wein- oder Olivenölproduktion“, sagt der Chemiker.
Auch phenolische Stoffe werden entfernt
„Unsere Technologie erreicht eine Flockungsleistung für komplexe agroindustrielle Abwässer, die mit der von herkömmlich eingesetzten Flockungsmitteln mit Metallsalzen oder synthetischen Polymerflockungsmitteln vergleichbar ist. Allerdings ist LaChiPur, wie wir unser funktionalisiertes Produkt nennen, vollständig biobasiert und daher biologisch abbaubar“, fasst es zusammen Beckett, Biologe und Umweltwissenschaftler.
Die Kombination mit Laccase erwies sich bei diesem Abwasser als echter Vorteil, da das funktionalisierte Chitosan als Flockungsmittel eingesetzt werden kann und gleichzeitig Phenole oxidiert und polymerisiert.
Lokale Produktion und vielfältige Anwendungen
Weitere Vorteile der neuen umweltfreundlichen Technologie: Der Rohstoff Chitin fällt lokal in großen Mengen als Abfall in der Lebensmittel- oder Biotechnologieindustrie an. Dies gewährleistet eine wirtschaftliche Produktion und Versorgungssicherheit – ohne die Abhängigkeiten verflochtener internationaler Lieferketten. Wird der nach der Flockung anfallende abbaubare Schlamm in Kläranlagen vergoren, kann dadurch die Biogasausbeute sogar deutlich gesteigert werden.
„Dank unserer interdisziplinären Expertise können wir nun in unserem Labor die in Industriebetrieben anfallenden Abwässer und Prozesswässer untersuchen, um zu sehen, wie das mit LaChiPur behandelte Wasser gereinigt wird“, sagen Hahn und Beckett.
Aufgrund der ersten vielversprechenden Ergebnisse wollen die Forscher ihre Technologie zudem mit kleinen und mittleren Unternehmen, die Flockungsmittel vertreiben oder herstellen, weiter optimieren, in einen größeren Maßstab übertragen und in die industrielle Anwendung bringen.
„LaChiPur eignet sich darüber hinaus als Filtermaterial und verfügt über die Eigenschaften von Fällungsmitteln. Darüber hinaus wollen wir unser Produkt für den Einsatz in der Phosphorfällung weiterentwickeln. Aufgrund seiner Eigenschaften ist es auch für die Reinigung von Textilabwässern oder für den Einsatz in der Trinkwasserindustrie interessant.“ Wasseraufbereitung“, sind die IGB-Wissenschaftler überzeugt.
Vom 13. bis 17. Mai 2024 präsentieren sie LaChiPur auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Allianz Wassersysteme (SysWasser) in Halle B2, Stand 338 auf der IFAT in München.
Bereitgestellt vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB